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水生毒性学 において、生物濃縮とは、水に曝露された生物体内に水中の化学物質が蓄積することである。[ 1 ] [ 2 ]
生物蓄積と生物濃縮を測定および評価する方法はいくつかあります。これらには、オクタノール-水分配係数(K OW )、生物濃縮係数 (BCF)、生物蓄積係数 (BAF)、および生物-堆積物蓄積係数 (BSAF) が含まれます。これらはそれぞれ、経験的データまたは測定値、あるいは数学モデルを使用して計算できます。[ 3 ]これらの数学モデルの 1 つは、ドン・マッケイによって開発されたフガシティベースの BCF モデルです。[ 4 ]
生物濃縮係数は、生物体内の化学物質濃度と周囲環境中の化学物質濃度の比として表すこともできます。BCFは、生物と周囲環境の間での化学物質の共有の程度を示す指標です。[ 5 ]
地表水では、BCF は生物中の化学物質の濃度と水中の化学物質の濃度の比です。BCF はしばしばリットル/キログラムの単位 (生物 1 kg あたりの化学物質の mg と水 1 リットルあたりの化学物質の mg の比) で表されます。[ 6 ] BCF は単に観測された比である場合もあれば、分配モデルの予測である場合もあります。[ 6 ]分配モデルは、化学物質が水と水生生物の間で分配されるという仮定と、生物とそれが存在する水生環境との間に化学的平衡が存在するという考えに基づいています。[ 6 ]
生物濃縮は生物濃縮係数（BCF）で表すことができ、これは生物または生物群中の化学物質濃度と水中の濃度の比である。[ 2 ]
生物濃縮係数は、オクタノール-水分配係数 K owとも関連付けることができます。オクタノール-水分配係数(K ow ) は、化学物質が生物に生物蓄積する可能性と相関関係があります。BCF は、構造活性相関(SAR) [ 7 ]に基づくコンピュータ プログラム、または線形方程式を介して、 log K owから予測できます。
どこ：
平衡状態において
フガシティとBCFの関係は、以下の式で表されます。
ここで、Z Fish は魚に含まれる化学物質のフガシティ容量(mol/m 3 /Pa)に等しく、P Fish は魚の密度 (質量/長さ3 ) に等しく、BCF は魚と水の間の分配係数 (長さ3 /質量) であり、H はヘンリーの法則定数 (Pa m 3 /mol)に等しい[ 6 ] 。
PBT Profilerを使用し、米国環境保護庁が有害物質規制法(TSCA) に基づいて定めた基準を使用すると、BCF が 1000 未満の場合は生物蓄積性がない、BCF が 1000 ～ 5000 の場合は生物蓄積性がある[ 10 ]、BCF が 5000 を超える場合は非常に生物蓄積性があると見なされます。[ 10 ]
REACHの閾値は、B 基準では BCF > 2000 L/kg bzw.、vB 基準では 5000 L/kg です。[ 11 ]水生生物における 5000 を超える BCF は、ストックホルム条約の下での残留性有機汚染物質の閾値でもあります。[ 12 ]
生物濃縮係数が 1 より大きい場合は、疎水性または親油性の化学物質であることを示しています。これは、化学物質が生物蓄積する可能性を示す指標です。[ 1 ]これらの化学物質は脂質親和性が高く、細胞質のような水性環境ではなく、脂質含有量の多い組織に濃縮されます。モデルは、環境中の化学物質の分配を予測するために使用され、それによって親油性化学物質の生物学的運命を予測することができます。[ 1 ]
定常状態シナリオを仮定して、システム内の化学物質の運命をモデル化し、予測される終点相と濃度を示します。[ 13 ]
定常状態に達するには、次の式（時間単位）で推定されるように、かなりの時間が必要になる可能性があることを考慮する必要があります。[ 14 ] [ 15 ]
log(K OW )が4の物質の場合、有効な定常状態に達するまでには約5日かかります。log(K OW )が6の場合、平衡に達するまでの時間は9ヶ月に増加します。
フガシティは、圧力の単位を持つ相間の平衡を予測するもう1つの基準です。ほとんどの環境目的においては、分圧と同等です。これは物質の逃避傾向です。[ 1 ] BCFはフガシティモデルの出力パラメータから決定でき、したがって、生物と直接相互作用し、影響を与える可能性のある化学物質の割合を予測するために使用できます。
生物種ごとのフガシティ値が利用可能であれば、栄養網を考慮した食物網モデルを作成することが可能です。 [ 1 ]これは、分解生成物に容易に代謝されない保存性化学物質に特に当てはまります。有毒金属などの保存性化学物質の生物濃縮は、シャチ、ミサゴ、ハクトウワシなどの頂点捕食者に有害となる可能性があります。
生物濃縮係数は、周囲の水中の化学物質濃度に基づいて生物の汚染レベルを予測するのに役立ちます。[ 13 ]この設定では、BCF は水生生物にのみ適用されます。空気呼吸生物は、他の水生生物と同じ方法で化学物質を取り込むわけではありません。たとえば、魚は、摂取と鰓弁の浸透圧勾配を介して化学物質を取り込みます。[ 6 ]
底生大型無脊椎動物を扱う場合、水と底質の両方に、生物に影響を与える化学物質が含まれている可能性があります。生物蓄積係数（BSAF）と生物濃縮係数（BMF）も、水生環境における毒性に影響を与えます。
BCFは代謝を明示的に考慮していないため、選択した生物の取り込み、排出、または分解の方程式を通して、他の箇所で代謝をモデルに追加する必要があります。
BCF値が高い化学物質は親油性が高く、平衡状態では生物体内の化学物質濃度がシステム内の他の相よりも高くなります。体内負荷とは生物体内の化学物質の総量であり、[ 13 ]親油性化学物質を扱う場合、体内負荷は大きくなります。
生物濃縮の程度を決定する際には、生物学的要因を考慮に入れる必要があります。呼吸器表面および皮膚表面との接触を通じて生物が曝露される速度は、生物からの排泄速度と競合します。排泄速度は、呼吸器表面からの化学物質の損失、成長希釈、糞便排泄、および代謝的生体変換です。[ 16 ]成長希釈は実際の排泄プロセスではありませんが、汚染物質濃度が一定のままで生物の質量が増加するため希釈が発生します。
入力と出力の相互作用をここに示します。 [ 16 ] 変数は次のように定義されます。 CBは生物体内の濃度 (g*kg−1) です。 [ 16 ] t は時間の単位 (d−1) を表します。 [ 16 ] k1は呼吸面からの水からの化学物質の取り込みの速度定数 (L*kg−1*d−1) です。 [ 16 ] CWDは水に溶解した化学物質の濃度 (g*L−1) です。 [ 16 ] k2、kE、kG、kBは、呼吸面からの生物体からの排出、糞便排出、代謝変換、および成長希釈 (d−1) を表す速度定数です。 [ 16 ]
静的変数もBCFに影響を与えます。生物は脂肪の袋としてモデル化されるため、脂質と水の比率は考慮すべき要素です。[ 6 ]サイズも役割を果たし、表面積と体積の比率は周囲の水からの吸収速度に影響します。[ 16 ]対象となる種は、BCFを変化させるすべての生物学的要因を決定するため、BCF値に影響を与える主要な要因です。[ 6 ]
温度は代謝変換や生体エネルギーに影響を与える可能性があります。その一例として、生物の動きや排泄速度が変化する可能性があります。[ 16 ]汚染物質がイオン性の場合、温度変化によって影響を受けるpHの変化は、生物学的利用能にも影響を与える可能性があります。[ 1 ]
水中の天然粒子含有量や有機炭素含有量は、生物学的利用能に影響を与える可能性があります。汚染物質は水中の粒子に結合し、吸収を困難にするだけでなく、生物に摂取される可能性もあります。この摂取物には汚染された粒子が含まれる可能性があり、その場合、汚染源は水だけにとどまらないことになります。[ 16 ]
